车载光学相控阵雷达

热光移相器利用硅材料的热光系数（dn/dT ≈ 1.86×10⁻⁴ K⁻¹），通过加热改变局部折射率从而引入相位变化，其优点在于热串扰低、相位线性好，缺点是热响应时间受热扩散限制（典型值10~100 μs），且功耗随阵元数线性增加（每移相器约数毫瓦）。电光移相器则利用等离子体色散效应，通过正向注入或反向偏置改变载流子浓度以调节折射率，响应速度可达纳秒级，但伴随较大的插入损耗（尤其是载流子吸收）和非线性效应。硅基OPA的扫描视场受限于光栅发射器的方向性带宽和移相器可实现的相位范围，目前典型值在±30°至±50°之间，通过级联多个光栅或采用非周期阵列可扩展至120°以上。加利福尼亚大学、麻省理工学院和上海科技大学等机构已先后研制出256通道乃至512通道的硅光OPA芯片，在激光雷达演示中实现了10米级距离的分辨率成像。OPA无需预热即可进入稳定的精确指向工作状态。车载光学相控阵雷达

光学相控阵在可见光波段的应用面临比近红外波段更为严峻的挑战——波长更短意味着阵元间距需更小（满足半波长条件），制造精度要求更高。可见光波段的OPA在增强现实（AR）显示中具有直接应用价值——可将虚拟图像直接投射到用户视网膜上，无需 bulky 的自由空间光学系统。在光学成像领域，可见光OPA可实现超快速的无机械扫描共聚焦显微成像。然而，可见光OPA的实用化仍受限于两个瓶颈：一是可见光波段的高效移相器（尤其是低损耗的电光移相器）尚不成熟；二是可见光在硅波导中的吸收损耗较大，需采用氮化硅或铌酸锂等宽禁带材料。OPA光学相控阵生产OPA用于光学神经网络的片上光互连与权重调制。

南京大学江伟团队提出了一种新颖的子阵列划分和相位调控策略，在标准硅光OPA芯片上实现了远场双光束的单独精确控制，且每个光束的偏转角均可单独调节，两光束的视场角范围扩展至100°，相比传统方法扩大了近一倍。他们还验证了双光束各自携带单独调制信号，在自由空间同时传输给两个不同位置的接收机，信道隔离度优于15dB，误码率低于10⁻⁶。这一成果为光学相控阵在激光雷达多目标场景中的应用打开了大门——例如，一辆自动驾驶汽车可同时用两束光分别扫描前方车辆和侧面行人，大幅提高了感知帧率。实现多光束的挑战在于：子阵列间的串扰和功率分配不均会导致波束质量下降，需引入自适应均衡算法；同时，驱动电路需为每个子阵列提供单独的相位控制通道，增加了芯片布线和功耗的复杂度。未来，结合波分复用（WDM）技术，不同波长的光束可各自生成单独的相控模式，进一步拓展多光束的空间复用容量，有望在6G太赫兹通信中扮演重要角色。

“二维相控阵”方案，即阵元在X-Y平面上呈二维排列，每个单元或每行/列配置单独的移相器，通过二维相位分布即可在任意方向上偏转。二维阵列的优点是扫描速度快、方向灵活，但面临着巨大的工程挑战——阵元数量呈平方增长（如100×100=10000通道），导致移相器驱动功耗、芯片面积和布线密度boom性增加；同时，二维分布使得栅瓣问题更加复杂，非均匀优化在高维空间中的计算量极大。折衷方案是“稀疏二维阵列”或“行列联合驱动”，将二维相位分解为行向量和列向量的外积，从而将控制维度从N²压缩至2N，但舍弃了部分灵活性和波束质量。其工作带宽受限于相位调制器的本征响应速度。

液晶的响应时间受限于分子转动弛豫过程，通常在毫秒至数十毫秒量级，难以满足高速扫描需求（如汽车雷达要求数十微秒级波束切换）；此外，液晶对偏振态敏感，需配合偏振片使用导致一半光能损失，且在高功率激光照射下可能发生光致分解或热退偏效应。近年来的研究致力于开发铁电液晶、双频液晶和聚合物稳定蓝相液晶等新型材料，试图将响应时间压缩至亚毫秒甚至微秒级，同时提升损伤阈值。LCOPA已在星间激光通信终端、自适应光学和激光武器光束定向系统中获得初步工程应用，但距离车规级固态激光雷达的严苛要求仍有差距，需结合混合驱动策略和预失真补偿算法加以改善。该技术有望成为未来激光雷达系统的标准配置。光通信光学相控阵频谱

OPA的扫描轨迹可由软件任意定义，无需改动硬件。车载光学相控阵雷达

集成光波导型光学相控阵是当前更受瞩目的研究方向，其重要思想是在芯片上将分光网络、移相器阵列和光栅发射器全部单片集成，形成紧凑、低功耗、可大规模生产的固态光束操控器件。绝缘体上硅（SOI）平台因具有与CMOS工艺高度兼容、高折射率差（Δn≈2）、低传输损耗（约1~2 dB/cm）以及成熟的无源/有源器件库等优势，成为OPA芯片的主流基底。典型的硅基OPA结构包括：输入波导将外部激光耦合至芯片，经1×N分束器（如多模干涉耦合器或星型耦合器）等功率分配至N条并行波导；每条波导中集成热光移相器（TiN或W加热器）或电光移相器（载流子注入/耗尽型PIN结），用以单独调控相位；波导末端连接至光栅耦合器或端面发射天线，将导波模式辐射至自由空间。车载光学相控阵雷达

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